1014209 - FISICA II E LABORATORIO M - Z

Lo studente acquisirà le nozioni fondamentali per la comprensione dell'Elettromagnetismo e dell'Ottica Classica e Ondulatoria (o Fisica). Mediante esercizi da risolvere in aula e a casa e l'attività sperimentale in Laboratorio, lo studente sarà abituato alla risoluzione di problemi concreti e ad un approccio sperimentale al mondo reale. Lo studente che avrà acquisito gli argomenti e le metodologie del corso, sarà in grado di affrontare e risolvere problematiche di vario genere tramite un approccio logico-scientifico. In particolare, il corso si propone i seguenti obiettivi:

• conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge & Understanding): lo studente sarà introdotto alla conoscenza di base delle leggi della Fisica Classica (Elettromagnetismo e Ottica) . Lo studente svilupperà la capacità di comprensione dei fenomeni fisici più importanti legati al programma del corso.
• capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying Knowledge & Understanding): lo studente sarà avviato ad una applicazione in ambiti pratici delle conoscenze acquisite, con continui esempi di fisica applicata, svolgimento di problemi e attività in Laboratorio per la comprensione del mondo reale.
• autonomia di giudizio (Making Judgements): lo studente verrà indotto ad una analisi critica del livello di conoscenza acquisito, spingendolo ad una autovalutazione delle proprie conoscenze e capacità, cercando di sviluppare un’autonomia di giudizio sugli obiettivi raggiunti.
• abilità comunicative (Communication Skills): l’interazione con il docente e con i colleghi saranno stimolate per incrementare le capacità comunicative degli studenti.

Il corso consta di 10 CFU per un totale complessivo di 90 ore di attività in Aula/Laboratorio così ripartiti:

a) attività didattica frontale in Aula per un totale di 6 CFU = 42 ore (1 CFU = 7 ore);

b) attività di Esercitazioni in Aula (per l'apprendimento della metodologia di risoluzione e svolgimento di Esercizi e Problemi di Fisica 2) per un totale di 1 CFU = 12 ore;

c) attività di Laboratorio per un totale di 3 CFU = 36 ore (1 CFU = 12 ore) .

PREREQUISITI RICHIESTI per seguire il corso:

Contenuti del corso di MATEMATICA 1 (I anno CdS Triennale in Chimica) e MATEMATICA 2 (I anno CdS Triennale in Chimica). Contenuti del corso di FISICA 1 (I anno CdS Triennale in Chimica Triennale).

PREREQUISITI RICHIESTI per affrontare l'esame finale di verifica (prove scritta, pratica e orale):

• superamento e verbalizzazione dell'esame di MATEMATICA 1 (PROPEDEUTICO a FISICA 2 E LABORATORIO,  come da "Regolamento Didattico Corso di Laurea in Chimica - Classe L27 - Scienze e Tecnologie Chimiche COORTE 2022-23", approvato dal Senato Accademico nella seduta del 28 giugno 2022);
• superamento e verbalizzazione dell'esame di FISICA 1 (PROPEDEUTICO a FISICA 2 E LABORATORIO,  come da "Regolamento Didattico Corso di Laurea in Chimica - Classe L27 - Scienze e Tecnologie Chimiche COORTE 2022-23", approvato dal Senato Accademico nella seduta del 28 giugno 2022). 

La frequenza del corso - sia per le lezioni in Aula di Teoria e di Esercitazioni  che per le attività sperimentali in Laboratorio - è di norma obbligatoria, dovendo frequentare lo studente almeno il 70% il monte ore di ciascun corso (fare riferimento al "Regolamento Didattico Corso di Laurea in Chimica - Classe L27 - Scienze e Tecnologie Chimiche COORTE 2022-23", approvato dal Senato Accademico nella seduta del 28 giugno 2022). 

La frequenza sarà accertata con obbligo giornaliero della firma, sia per ogni lezione frontale in Aula che per ogni attività in Laboratorio.  

1. ELETTROSTATICA 

1.1 – Fenomeni elettrici: Introduzione. Forze elettrostatiche. Induzione elettrostatica. La carica elettrica. La Legge di Coulomb. Campo elettrostatico nel vuoto. La Legge di Gauss. Calcolo del campo elettrostatico per distribuzioni discrete e continue di carica. Moto di particelle in campi elettrostatici. 

1.2 – Il Potenziale elettrostatico:  Lavoro elettrico. Carattere conservativo del campo elettrostatico. Calcolo del potenziale elettrostatico in casi notevoli. Superfici equipotenziali e linee di forza. Energia potenziale del campo elettrostatico e moto di particelle. La II equazione di Maxwell per il campo elettrostatico. Equazioni di Poisson e di Laplace. Campo elettrostatico di dipolo.

1.3 – Conduttori e condensatori: Campo elettrostatico nei conduttori. Potenziale e capacità dei conduttori. Sistema di più conduttori. Condensatori, Energia elettrostatica di un condensatore carico. Condensatori con dielettrico. Elementi di elettrostatica nei dielettrici. 

2. CORRENTI ELETTRICHE STAZIONARIE

Intensità di corrente. Conservazione della carica elettrica. La Legge di Ohm. Modello classico della conduzione. Resistenze elettriche. Generatori di forza elettromotrice. Le Leggi di Kirchhoff. Misure di corrente, tensione e resistenza. Trasporto a distanza dell'energia elettrica. Conduzione nei liquidi e nei gas.

3. MAGNETOSTATICA

Il magnetismo. Gli esperimenti di Oersted e Ampere. Forza di Lorentz e campo magnetico. Campo magnetico prodotto da correnti stazionarie. Forze magnetiche su circuiti percorsi da corrente. Le sorgenti del campo induzione magnetica B e la sua divergenza. La Legge di Ampere e il rotore di B. Campo magnetico prodotto da una carica in moto. Moto di particelle cariche in campi magnetici. Effetto Hall. Equivalenza fra spire e aghi magnetici. Proprietà magnetiche della materia. Il potenziale vettore.

4. CAMPI ELETTROMAGNETICI

La Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Induzione dovuta al moto relativo. Il rotore del campo elettrico. Mutua induzione e auto-induzione. Induttanze in serie e in parallelo. Densità di energia del campo magnetico. Circuiti oscillanti. Fenomeni transitori. Le Equazioni di Maxwell. Campi elettromagnetici nella materia. Correnti alternate. Filtri, trasformatori e misure in corrente alternata. Potenziali elettromagnetici e potenziali ritardati.

5. ONDE ELETTROMAGNETICHE 

La scoperta delle onde elettromagnetiche. Equazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. Onde piane. Campi elettrici e magnetici nelle onde piane. Energia e impulso nei campi elettromagnetici. Irraggiamento di una carica oscillante e radiazione di dipolo. Lo spettro elettromagnetico.

6. OTTICA GEOMETRICA

Riflessione e rifrazione della luce. Velocità della luce in un mezzo. Indice di rifrazione. Formula di Cauchy. Principio di Huygens-Fresnel. Angolo limite. Riflessione totale. Dispersione cromatica. Prisma. Coefficienti di Fresnel. Angolo di Brewster. Polarizzazione per riflessione. Polarizzazione per assorbimento selettivo e diffusione. Legge di Malus. Birifrangenza. Costruzione di immagini in ottica geometrica. Specchi sferici e piani. Distanza focale. Ingrandimento. Diottri sferici e piani. Potere diottrico. Lenti sottili. Equazione delle lenti. Potere convergente. Microscopio ottico. Ingrandimento visuale. 

7. OTTICA ONDULATORIA

Il fenomeno di Interferenza. Interferenza da due fenditure. Posizione di minimi e massimi di interferenza. Distribuzione di intensità  fra le frange. Metodo dei fasori per il calcolo delle intensità. Il fenomeno della Diffrazione. Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura rettilinea singola. Posizione dei minimi di diffrazione. Angolo minimo di risoluzione. Criterio di Rayleigh. Potere risolutivo di una lente. Potere risolutivo lineare di un microscopio. Reticoli di diffrazione. Diffrazione X. 

8. ELEMENTI DI TEORIA DEGLI ERRORI 

Incertezza di una misura. Sorgenti di errore. Stima dell’incertezza nella lettura di scale. Errori casuali ed errori sistematici. Rappresentazione dei dati sperimentali. Cifre significative. Discrepanza tra due misure. Rappresentazione in grafico. Verifica di relazioni con un grafico. Errore relativo o precisione. Propagazione degli errori nelle misure indirette (limite massimo dell’incertezza). Propagazione degli errori nelle misure indirette (incertezze casuali e misure indipendenti). Analisi statistica di un set di misure: media e deviazione standard. Errore sulla media. Istogrammi di frequenza. Distribuzione di probabilità di Gauss. Best-fit lineare e sua incertezza. Test del chi-quadro. 

9. ESPERIENZE DI LABORATORIO 

1. Misura della costante elastica di una molla. 
2. Misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice. 
3. Misura del coefficiente di viscosità della glicerina. 
4. Misura di resistenze con il metodo volt-amperometrico. 
5. Misura di resistenze di valore elevato, mediante la scarica del condensatore. 
6. Misura del rapporto e/m mediante deflessione magnetica. 
7. Misura della distanza focale di una lente convergente. 
8. Verifica della legge di Malus e misura di concentrazioni di soluti otticamente attivi. 
9. Misura di lunghezze d’onda con uno spettroscopio a reticolo di diffrazione. 

TESTI DI RIFERIMENTO Principali

• "Fisica Generale  - Elettromagnetismo" II edizione - autori: S. Focardi, I.G.Massa, A.Uguzzoni, M. Villa - Casa Editrice Ambrosiana (CEA)
• "Fisica Generale  - Onde e Ottica" II edizione  - autori: S. Focardi, I.G.Massa, A.Uguzzoni - Casa Editrice Ambrosiana (CEA)
• "Esercizi di Fisica - Elettromagnetismo" - autori: M.Bruno, M.D'Agostino, R. Santoro - Casa Editrice Ambrosiana (CEA)
• "Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche" - autore: J. Taylor - Casa Editrice Zanichelli editore 

TESTI ALTERNATIVI

• "Elementi di Fisica - Elettromagnetismo e Onde" II edizione - autori: P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci - Casa Editrice EdiSES Università
• "Fisica Volume II"  II edizione -  autori: P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci - Casa Editrice EdiSES Università

ALTRO MATERIALE DIDATTICO

Materiale didattico aggiuntivo (dispense, slides, raccolte di esercizi e prove scritte) sarà fornito dal docente e reso disponibile sulla piattaforma Studium dell'Università degli Studi di Catania 

La verifica dell'apprendimento avverrà mediante:

a)  una prova scritta, 

b) una prova pratica: stesura di una Tesina relativa ad una  esperienza di laboratorio,  sorteggiata tra quelle eseguite durante il corso;

c) una prova orale. 

Non sono previste prove in itinere per questo insegnamento. 

a) La prova scritta ha la durata di 3 ore e richiede la risoluzione di 3 problemi riguardanti rispettivamente argomenti di Elettrostatica, Campi Elettromagnetici variabili nel tempo e Ottica. Ad ogni problema sono attribuiti 10 punti e il punteggio minimo per l'accesso alla prova orale è di 18/30.  Con un punteggio compreso tra 15 e 17/30 si può richiedere l'ammissione "con riserva" alla prova orale. Criteri di valutazione della prova scritta sono: la correttezza dell'impostazione dei problemi, l'esplicitazione dei procedimenti di risoluzione individuati, la corretta determinazione dei risultati numerici associati alle unità di misura proprie delle grandezze fisiche in esame. 

b) Per la prova pratica, alla fine del corso, viene sorteggiata per ciascuno studente una delle esperienze previste nel programma delle attività sperimentali in Laboratorio. Entro una settimana dal sorteggio, lo studente provvede alla consegna della relazione ("Tesina"), redatta sulla base dell'esperienza effettuata e dei dati personalmente acquisiti. Tenendo conto della puntualità della consegna, la Tesina verrà valutata dal docente sulla base della correttezza, completezza, concisione e proprietà di espressione scritta. 

c) La prova orale prevede la discussione della prova scritta e della relazione di laboratorio, insieme a domande generali di approfondimento delle conoscenze acquisite dallo studente. Le domande possono riguardare tutti gli argomenti in programma e trattati durante lo svolgimento del corso. La prova orale deve essere sostenuta entro la data in cui è prevista la successiva prova scritta.

Le domande e gli esercizi proposti agli esami si riferiranno esclusivamente ai contenuti proposti durante le lezioni e potranno spaziare su tutti gli argomenti presente in elenco in programma ed effettivamente svolti a lezione. Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi.

Domande tipiche poste all'esame orale su argomenti irrinunciabili (quali Elettrostatica, Elettromagnetismo e Ottica) sono le seguenti:

1) scrivere e commentare l'equazione della Legge di Coulomb (nel vuoto e nella materia) indicando inoltre, per ogni variabile, il suo significato e la sua unità di misura;

2) cosa afferma la Legge di Faraday-Neumann? Precisare anche il significato fisico di ogni grandezza coinvolta e la relativa unità di misura;

3) spiegare il fenomeno della rifrazione in Ottica Geometrica e le sue leggi, facendo riferimento all'esperienza di laboratorio.